Python学习笔记(四) 函数

这篇文章介绍有关 Python 函数中一些常被大家忽略的知识点，帮助大家更全面的掌握 Python 中函数的使用技巧

1、函数文档

给函数添加注释，可以在 def 语句后面添加字符串，这样的注释被称为 文档字符串，它将作为函数的一部分储存起来

>>> def square(x):
		'Calculates the square of the number x.'
		return x*x

可以通过内置属性 __doc__ 访问文档字符串

>>> square.__doc__
# 'Calculates the square of the number x.'

也可以通过内置方法 help() 访问文档字符串

>>> help(square)
# Help on function square in module __main__:
# square(x)
#     Calculates the square of the number x.

2、参数魔法

在 C++ 中，函数参数的传递方式有两种，一是按值传递，二是按引用传递，那么在 Python 中参数传递方式是什么呢？

我们先来看一个例子

>>> name = 'Andy'
>>> def change(string):
		string = 'Function'
>>> change(name)
>>> name
# 'Andy'

函数形参变量的修改并不能影响实参变量的取值，这有点像按值传递，所以 Python 中参数的传递方式是按值传递吗？

别急，我们再来看另一个例子

>>> names = ['Andy']
>>> def change(strings):
		strings[0] = 'Function'
>>> change(names)
>>> names
# ['Function']

在这个例子中，函数形参变量的修改改变了实参变量的取值，这又有点像按引用传递，为什么会这样呢？

为了理解清楚这里面的关系，我们需要深入了解其内在的原理

首先，我们需要知道，在 Python 中变量赋值实际上并不是将值储存在变量中

反倒有点像将变量名贴在值上，以下图片展示了调用语句 x = 'Hello' 的一种直观理解

该过程在内存中的理论模型如下（变量可以视为指向值的名称）：

变量可以分为可变类型和不可变类型，当修改可变对象时，将直接修改物体内的值

但是在“修改”不可变对象时，由于物体内的值不可改变，所以 Python 采取了一种特殊的方法处理这种情况

即将标签贴在另一个储存了新内容的物体上，储存了旧内容的物体在没有标签指向时被系统自动回收

以下图片展示了这一过程的直观理解

该过程在内存中的理论模型如下：

好，下面让回到最初的问题：为什么将字符串传入函数之后不会改变，而将列表传入函数之后会改变呢？

现在我们总算明白了：

当传入可变对象作为函数参数时，函数内的修改会改变原来的值
当传入不可变对象作为函数参数时，函数内的修改不会改变原来的值

假如我们想传入可变对象（例如列表）作为函数参数同时又不想修改原列表的值，该怎么办呢？

这时我们可以传入列表的副本即可，例如 change(names[:])

又假如我们想传入不可变对象（例如字符串）作为函数参数同时又想修改原字符串的值，该怎么办呢？

不好意思，没有办法！这时我们只能从函数中返回所需要的值，并赋值给原变量，例如 name = change(name)

3、关键字参数

我们一般使用的参数称为 位置参数，因为它们的位置至关重要，在调用函数时我们甚至可以忽略它们的名称

>>> def test(greeting,name):
		print(greeting,name)
>>> test('Hello','World') # 参数名称无关重要，只需要关注它们的位置即可
# Hello World

但是，一旦参数很多，难以记住每一个参数的位置时，可以在调用函数的时候指定参数的名称，这称为 关键字参数

>>> def test(greeting,name):
		print(greeting,name)
>>> test(name='World',greeting='Hello')
# Hello World

关键字参数更重要的作用是给参数 指定默认值

>>> def test(greeting='Hello',name='World'):
		print(greeting,name)
>>> test()
# Hello World
>>> test(name='Helen')
# Hello Helen

注意：指定默认参数时，一定要从后面开始指定，像 def test(greeting='Hello',name) 这样的语法是错误的

4、收集参数

设想我们遇到这样一种情况，当函数参数的数量不确定时，我们应该怎么处理呢？

这时，我们可以使用 收集参数，收集参数在 定义函数 时使用星号 * 实现

在 调用函数 时，将输入的参数作为一个元组储存起来

>>> def test(a,b,*c):
		print(a,b,c)
>>> test(1,2,3,4,5,6)
# 1 2 (3, 4, 5, 6)

假如我们把收集参数放在前面会发生什么呢？比如说这样

>>> def test(a,*b,c):
		print(a,b,c)
>>> test(1,2,3,4,5,6) # TypeError: test() missing 1 required keyword-only argument: 'c'

这时会产生一个语法错误，因为星号意味着会收集余下的所有参数，导致形参 c 无法接收实参而产生错误

我们可以使用关键字参数解决这个问题

>>> def test(a,*b,c):
		print(a,b,c)
>>> test(1,2,3,4,5,c=6)
1 (2, 3, 4, 5) 6

使用星号还存在一个问题，即它无法收集关键字参数

>>> def test(*paras):
		print(paras)
>>> test(1,2,3) # 收集位置参数，正常
# (1, 2, 3)
>>> test(x=1,y=2,z=3) # 收集关键字参数，错误
# TypeError: test() got an unexpected keyword argument 'x'

这时我们可以使用双星号 ** 解决这个问题，此时得到的将会是一个字典，而非元组

另外要注意双星号不能收集位置参数

>>> def test(**paras):
		print(paras)
>>> test(x=1,y=2,z=3) # 收集关键字参数，正常
# {'x': 1, 'y': 2, 'z': 3}
>>> test(1,2,3) # 收集位置参数，错误
# TypeError: test() takes 0 positional arguments but 3 were given

所以，我们一般可以使用以下格式同时收集位置参数和关键字参数：function(*args, **kwds)

5、分配参数

分配参数 与收集参数执行相反的操作，在 调用函数 时使用星号 * 或者双星号 ** 实现

>>> def test(x,y):
		print(x,y)
>>> paras1 = (1,2)
>>> test(*paras1) # 将元组变成独立的位置参数
# 1 2 
>>> paras2 = {'x':1,'y':2}
>>> test(**paras2) # 将字典变成独立的关键字参数
# 1 2

5、作用域

变量究竟是什么呢？其实可以将变量视为指向值的名称，这或许有点类似于字典（在字典中键指向值）

实际上我们的确是在使用一种看不见的字典，一个名为 vars() 的内置函数可以返回这个看不见的字典

我们称这个看不见的字典为 作用域

>>> x = 1
>>> vars()['x']
# 1

一般而言，不应该修改 vars 返回的字典，因为这会产生意想不到的后果

下面考虑这样一个问题：为什么函数内局部变量的修改不会影响函数外同名的全局变量呢？

>>> x = 1
>>> def change():
    	x = 10
>>> change()
>>> x
# 1

这是因为在调用函数时，Python 会创建一个新的作用域，赋值语句在这个局部作用域中执行，而不影响全局作用域中的变量

那么，现在假如我们想在函数中访问全局变应该怎么办呢？其实，这通常不会有任何问题

>>> x = 1
>>> def add(y):
    	print(x + y)
>>> add(2)
# 3

但是，当全局变量和局部变量同名呢？

>>> x = 1
>>> def add(x):
    	print(x + x)
>>> add(2)
# 4

此时，局部变量会覆盖全局变量

我们可以使用 globals() 函数解决这个问题，globals() 函数类似于 vars() 函数，返回一个包含全局变量的字典

>>> x = 1
>>> def add(x):
    	print(x + globals()['x'])
>>> add(2)
# 3

最后，假如我们想在函数中需改全局变量应该怎么办呢？

我们应该使用关键字 global 明确告诉 Python，该变量就是全局变量

>>> x = 1
>>> def change():
    	global x
    	x = 10
>>> change()
>>> x
# 10

6、lambda 函数

最后一个要介绍的知识点就是 lambda 函数

lambda 函数即匿名函数，省去了函数命名的烦恼，对于一些功能简单的函数尤为合适

其基本语法如下：lambda parameters : expression

parameters：用逗号分隔的变量列表，可选，代表传入函数的参数
expression：简单语句，不能包含 return，代表函数的输出结果

示例 1：实现简单的加法

>>> # 例如下面的语句表示：输入x、y，输出 x + y
>>> add = lambda x,y: x+y
>>> # 我们可以像使用正常函数一样使用 lambda 函数
>>> add(1,2)
# 3
>>> # 但是，上面的用法并不是 lambda 函数最常用的用法，因为 lambda 函数的出现是为了创建匿名函数

示例 2：使用在 sorted 函数中，指定排序规则

>>> # 按绝对值排序
>>> li = [3,-2,4,-1,5]
>>> sorted(li, key = lambda x: abs(x))
# [-1, -2, 3, 4, 5]

示例 3：使用在 filter 函数中，指定过滤规则

filter 函数的使用格式如下：filter(function,sequence)

filter 将 function 作用于 sequence 中的每一个元素，并返回作用后结果为 true 的元素

>>> # 过滤奇数
>>> list(filter(lambda x: x % 2 == 0, range(10)))
# [0, 2, 4, 6, 8]

示例 4：使用在 map 函数中，指定处理规则

map 函数的使用格式如下：map(function,sequence)

map 将 function 作用于 sequence 中的每一个元素，并返回作用后的元素

>>> # 求平方
>>> list(map(lambda x: x**2, range(10)))
# [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

示例 5：使用在 reduce 函数中，指定处理规则

reduce 函数的使用格式如下：reduce(function,sequence)

reduce 将 function 迭代作用于 sequence 中的元素

例如：reduce(function, [x1 , x2 , x3]) = function(function(x1 , x2) , x3) )

>>> # 求累加和
>>> from functools import reduce 
>>> reduce(lambda x,y: x + y, range(10))
# 45

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